O que é a moldação por injeção

A moldação por injeção é o processo de fabrico que produz peças em material polimérico fundido, injetado sob pressão para dentro de um molde, onde arrefece e solidifica com a forma da cavidade.

• É o processo mais usado para peças plásticas em grande série: brinquedos, componentes automóvel, embalagens, eletrodomésticos.
• Vantagens: repetibilidade, rigor dimensional, produtividade elevada por ciclo.
• O molde é a ferramenta que dá forma à peça; a máquina injetora funde o material e aplica a pressão.

Estudar a constituição de um molde é o primeiro passo antes de o projetar em detalhe.

O ciclo de moldação, em quatro fases

Cada peça sai do molde depois de um ciclo com quatro fases que se repetem:

1. Fecho do molde: as duas metades juntam-se sob pressão.
2. Injeção: enchimento da cavidade seguido de compactação (recalque), para compensar a contração.
3. Arrefecimento: o material solidifica dentro do molde, ainda fechado.
4. Abertura e extração: o molde abre e a peça é extraída.

A soma destas quatro fases é o tempo de ciclo, que vamos calcular no Bloco 11.

Termoplásticos vs termoendurecíveis

Os materiais usados em moldação por injeção dividem-se em duas grandes famílias:

• Termoplásticos: amolecem com o calor e solidificam ao arrefecer, de forma reversível. Podem ser fundidos e reprocessados várias vezes. É a família usada na quase totalidade da moldação por injeção convencional.
• Termoendurecíveis: curam com o calor através de uma reação química irreversível; depois de curados, não voltam a fundir. Usados em aplicações específicas (isoladores elétricos, componentes de elevada resistência térmica).

Nesta UC o foco são os termoplásticos, os poliméricos mais comuns nas peças que o molde vai produzir.

Famílias de termoplásticos e as suas funções

Cada material tem uma função na peça: estrutural, estética, de atrito, de estanquidade. A escolha do material condiciona todo o resto do molde.

Propriedades que determinam a escolha do material

Ao caracterizar um material polimérico para uma peça, avaliam-se:

• Propriedades mecânicas: resistência à tração, rigidez, resistência ao impacto, dureza.
• Propriedades térmicas: temperatura de fusão/amolecimento, dilatação térmica, resistência ao calor em serviço.
• Propriedades químicas: resistência a óleos, solventes, humidade e radiação UV.
• Contração ao arrefecer: percentagem que a peça encolhe do estado fundido até à temperatura ambiente, decisiva para o dimensionamento do moldante (Bloco 6).
• Aditivos e cargas: fibra de vidro, cargas minerais, corantes e retardadores de chama alteram estas propriedades.

Classes, normas e ficha técnica do material

• Os materiais poliméricos são identificados por classes e normas (ex.: normas de identificação de plásticos, classificação por família e grau).
• Cada material tem uma ficha técnica (datasheet) do fabricante, com os valores de contração, temperatura de processamento, densidade e propriedades mecânicas.
• A ficha técnica é a fonte oficial para os cálculos do molde: nunca se assume um valor de contração de memória.
• Consultar catálogos de materiais é uma das tarefas de análise das especificações técnicas da peça.

A ficha técnica do material é o primeiro documento a pedir antes de iniciar o estudo de um molde novo.

As duas unidades da máquina injetora

A máquina injetora organiza-se em duas unidades:

Unidade de injeção (grupo injetor)

• Tremonha: alimenta o granulado.
• Fuso (parafuso sem-fim) dentro do cilindro de plasticização: transporta, comprime e funde o material.
• Resistências de aquecimento: aquecem o cilindro por zonas.
• Bico injetor: liga o cilindro à bucha de injeção do molde.

Unidade de fecho (grupo de fecho)

• Prato fixo e prato móvel, ligados por colunas.
• Sistema hidráulico ou de joelho (mecânico) que fecha e mantém o molde sob pressão durante a injeção.

Parâmetros de injeção

Os parâmetros que o técnico afina em cada ciclo:

Afinar estes parâmetros corretamente é o que distingue uma peça sem defeitos de uma com rechupes, empenos ou rebarbas.

Tipologias de moldes de injeção

• Molde de duas placas: o mais simples, uma linha de junta, o gito sai com a peça ou é cortado à parte.
• Molde de três placas: uma placa adicional separa o sistema de alimentação da peça, permitindo ataque em pontos centrais com desmoldagem automática do gito.
• Molde de canal quente (hot runner): o canal de alimentação é mantido aquecido, sem solidificar; elimina o gito e reduz desperdício de material.
• Molde multicavidade: várias cavidades iguais no mesmo molde, para aumentar a produção por ciclo (Bloco 10).

A escolha da tipologia depende da peça, do material, da produção pretendida e do orçamento disponível.

Componentes principais do molde

Cada grupo de componentes vai ser detalhado num bloco próprio: alimentação (Bloco 7), extração (Bloco 8) e refrigeração (Bloco 9).

Elementos moldantes: macho e cavidade

Os elementos moldantes são as peças do molde que dão forma direta à peça:

• Cavidade (cavity): a parte côncava, normalmente do lado fixo, que forma o exterior da peça.
• Macho (core): a parte convexa, normalmente do lado móvel, que forma o interior da peça.
• Linha de junta (parting line): a fronteira onde as duas metades do molde se encontram; deve ser definida para não deixar marcas visíveis em zonas críticas da peça.

O rigor dimensional destes dois elementos, já com a contração compensada, é o que garante que a peça sai com a cota certa.

Porque o moldante tem de ser maior do que a peça

Quando o polímero fundido arrefece dentro do molde, encolhe. Se a cavidade tivesse exatamente a cota final da peça, a peça sairia mais pequena do que o pretendido.

Regra da casa, aplicada sempre da mesma forma nesta UC:

A cota do moldante é sempre a cota nominal da peça multiplicada por (1 + contração), nunca ao contrário.

onde s é a contração do material, em fração decimal (ex.: 2,0% = 0,020).

Tabela de contrações típicas usadas nesta UC

Estes valores são os que vamos usar de forma consistente em todos os exemplos e exercícios desta UC. Num projeto real, confirma-se sempre na ficha técnica do material (Bloco 3).

Exemplo resolvido · cota do moldante de uma tampa

Peça: tampa retangular em PP, cota crítica de comprimento 120,00 mm (medida na peça acabada). Contração do PP usada nesta UC: s = 2,0% = 0,020.

Passo 1. Escrever a fórmula:

Passo 2. Substituir os valores:

Passo 3. Calcular: mm

A cavidade e o macho têm de ser maquinados a 122,40 mm, para que a peça, depois de arrefecer e encolher 2,0%, saia com 120,00 mm.

Do bico da máquina à cavidade

O sistema de alimentação conduz o material fundido desde o bico da máquina até cada cavidade:

• Bucha de injeção: recebe o material do bico da máquina.
• Canal de distribuição (canal frio): leva o material da bucha até perto de cada cavidade; em moldes multicavidade, ramifica-se de forma equilibrada.
• Gito (sprue): o troço cónico que solidifica dentro da bucha de injeção, entre o bico da máquina e o início dos canais de distribuição; em canal frio é retirado da peça depois da moldação.
• Canal quente (hot runner): alternativa aquecida ao canal frio, que mantém o material sempre fundido, sem gito a remover.

Tipos de ataque (ponto de injeção)

O ataque é o ponto exato onde o material entra na cavidade. Os tipos mais usados:

A escolha do ataque afeta o enchimento, a marca visível na peça e a facilidade de desmoldagem do gito.

Retirar a peça sem a danificar

O sistema de extração empurra a peça solidificada para fora do macho, depois da abertura do molde, sem a deformar nem a marcar de forma inaceitável.

Componentes principais:

• Extratores cilíndricos (pinos): os mais comuns, empurram em pontos discretos da peça.
• Extratores lâmina: usados em nervuras finas, onde um pino redondo não cabe.
• Camisas extratoras: extraem à volta de um saliência cilíndrica (ex.: um furo com ressalto).
• Extração por ar comprimido: um jato de ar entre a peça e o macho, útil em peças de parede fina que colam por vácuo.
• Placa extratora e placa impulsora: movimentam o conjunto de extratores em simultâneo.

Critérios de posicionamento dos extratores

Ao posicionar os extratores, o técnico deve garantir:

• Distribuição equilibrada da força, para não deformar nem partir a peça ao extrair.
• Zonas reforçadas da peça (nervuras, saliências), onde a peça é mais rígida.
• Fora de superfícies visíveis ou de encaixe funcional.
• Sincronismo: todos os extratores avançam e recuam ao mesmo tempo, pela mesma placa.

Um bom sistema de extração é invisível ao utilizador final e não deixa marcas onde a peça é vista ou tocada.

Porque arrefecer bem o molde

O sistema de refrigeração retira o calor do material fundido, para que a peça solidifique o mais depressa e uniformemente possível.

• É a fase mais longa do ciclo (ver Bloco 11): arrefecer melhor reduz diretamente o tempo de ciclo.
• Um arrefecimento desigual causa empenos, tensões internas e diferenças de contração de zona para zona da peça.
• O objetivo é uma temperatura uniforme em toda a superfície da cavidade e do macho.

Canais de refrigeração, defletores e tubos

• Canais de refrigeração: furos maquinados nas placas moldantes, por onde circula um fluido (normalmente água) a temperatura controlada.
• Defletores (baffles): dividem um furo de refrigeração em dois percursos, para levar o fluido a zonas de difícil acesso (ex.: o interior de um macho estreito).
• Tubos (bubblers): fazem o fluido subir e descer dentro de um furo cego, para arrefecer zonas profundas.
• Termorregulador: equipamento externo que controla a temperatura do fluido de refrigeração.

O desenho do circuito de refrigeração segue as zonas mais espessas da peça, que retêm mais calor.

Área projetada e pressão específica

A área projetada é a área da sombra da peça (mais o sistema de alimentação) no plano de abertura do molde. É a área sobre a qual a pressão de injeção empurra o molde para o abrir.

A pressão específica de fecho é a pressão necessária por unidade de área, e depende do material:

Cálculo da força de fecho

Fórmula usada de forma consistente nesta UC: , com p em N/mm² (MPa) e A em mm², dando F em newton (N).

Exemplo resolvido: a tampa em PP do Bloco 6, área projetada de 120 mm × 80 mm = 9600 mm², pressão específica do PP = 35 MPa.

Passo 1.

Passo 2. N kN

Passo 3. Converter para toneladas-força (÷ 9,81 e ÷ 1000): tf

Esta é a força de fecho necessária por cavidade.

Número de cavidades: pela procura e pela capacidade

Pela procura de produção:

Exemplo: encomenda de peças/dia; tempo de ciclo s (calculado no Bloco 11); turno disponível s.

cavidades. Arredonda-se sempre para cima, para garantir a produção pedida.

Pela capacidade da máquina: com 5 cavidades, soma-se a área dos canais de distribuição (5% da área das cavidades) antes de calcular a força: mm², kN. Aplicando o coeficiente de segurança de 10% usado nesta UC: kN. Entre máquinas de 800, 1200, 1800 e 2500 kN de catálogo, só a de 2500 kN cobre os 1940,4 kN, com uma utilização de , dentro do limite de ~85% que esta UC usa. Arredonda-se sempre para baixo dentro da capacidade disponível, nunca se excede a força da máquina.

A força de fecho não é o único critério

O referencial pede que se considerem as características físicas e mecânicas da máquina injetora no seu conjunto, não só a força de fecho:

O mini-projeto aplica os quatro critérios em conjunto: a máquina só está certa se passar em todos.

As fases do tempo de ciclo

O tempo de ciclo é a soma do tempo de todas as fases de um ciclo completo de moldação:

• O arrefecimento é normalmente a fase mais longa (Bloco 9).
• Injeção (enchimento) e compactação (recalque) são fases distintas: primeiro enche-se a cavidade, depois compacta-se para compensar a contração.
• Reduzir o tempo de ciclo, sem comprometer a qualidade da peça, aumenta diretamente a produção por turno.

Exemplo resolvido · somar o ciclo e calcular a produção

Para a tampa em PP das secções anteriores, as fases medidas foram:

Verificação: 1,5 + 2,0 + 3,0 + 15,0 + 1,5 + 1,0 = 24,0 s, o valor usado no Bloco 10 para calcular o número de cavidades.

Com 5 cavidades e um ciclo de 24 s, a máquina produz peças por turno de 8 horas, exatamente a procura pedida.

O que a simulação de enchimento mostra

Antes de o molde ser fabricado, um software de simulação de enchimento reproduz o preenchimento da cavidade e antecipa defeitos que, sem simular, só apareceriam depois de o aço já estar cortado.

• Frentes de fluxo: posição do material fundido a cada instante; revela enchimento desequilibrado entre cavidades.
• Linhas de soldadura (weld lines): onde duas frentes se encontram; zonas mais fracas e visualmente marcadas.
• Aprisionamento de gás: bolsas de ar retidas que deixam a peça por encher ou queimada.
• Tempo de arrefecimento por zona e empeno previsto: identificam pontos quentes e arrefecimento desigual, causa direta de deformação da peça.

Corrigir cada sistema em função do achado

A simulação repete-se depois de cada correção, até o resultado ficar dentro dos limites aceitáveis para a peça.

Aços para moldes e a razão dos tratamentos térmicos

Os elementos moldantes (macho e cavidade) são maquinados em aços especiais para moldes, escolhidos pela sua capacidade de receber tratamento térmico.

Um aço sem tratamento térmico:

• Desgasta-se depressa com o atrito do material fundido, sobretudo com materiais reforçados com fibra de vidro (Bloco 2).
• Perde o rigor dimensional ao longo de milhares de ciclos.
• É mais suscetível a riscos e mossas na manipulação.

O tratamento térmico ajusta a dureza e a resistência ao desgaste do aço, sem comprometer a maquinabilidade nas fases anteriores do fabrico do molde.

Tipos de tratamento e a sua influência no molde

A escolha do tratamento depende do material a injetar (mais ou menos abrasivo), da série de produção e da precisão dimensional exigida.

Lista de componentes do molde de injeção

Antes de propor a constituição do molde, elabora-se a lista de componentes: todos os elementos que o compõem, normalizados ou de fabrico próprio.

Esta lista é uma das entregas obrigatórias do estudo do molde: garante que nada fica esquecido antes de avançar para o desenho de fabrico.

Documentação técnica do projeto

Um estudo de molde entrega-se com documentação completa e legível por qualquer oficina:

• Desenho de conjunto do molde, com todos os componentes montados.
• Desenhos de definição dos elementos moldantes, já com as cotas de contração aplicadas.
• Lista de materiais (BOM) com referências, quantidades e normalizados.
• Ficha de parâmetros de injeção recomendados (pressão, temperatura, tempo de ciclo).
• Registo de revisões: cada alteração ao projeto fica documentada e datada.

A documentação é o que permite fabricar, montar e manter o molde mesmo sem o autor do projeto presente.

Normas de segurança e saúde no trabalho

A máquina injetora e a bancada de trabalho têm riscos reais que têm de ser geridos:

• Esmagamento entre os pratos da unidade de fecho: nunca contornar as proteções fixas nem os sensores de segurança (barreiras óticas, portas com intertravamento).
• Queimaduras: o material fundido e o bico injetor atingem temperaturas elevadas; usar sempre equipamento de proteção individual adequado.
• Riscos hidráulicos: pressões elevadas no sistema de fecho; qualquer intervenção só com a máquina desligada e despressurizada.
• Purga do bico: antes de mudar de material ou parar a máquina por um período prolongado, purgar o bico evita a degradação do material retido e a projeção de gases sob pressão ao reiniciar; sempre com o bico afastado de pessoas.
• Manuseamento e elevação do molde: um molde pesa tipicamente dezenas a centenas de quilogramas; a montagem faz-se sempre com meios de elevação certificados (ponte rolante, olhais dimensionados ao peso do molde), nunca à força de braços.
• Seguir sempre as normas de segurança de máquinas de plástico aplicáveis e os procedimentos de bloqueio e etiquetagem (lockout-tagout) antes de qualquer manutenção.

A segurança não é opcional nem depende da experiência do técnico: é uma condição de todos os procedimentos junto da máquina.

Do estudo do molde às fichas e ao projeto

• O material da peça (contração, propriedades) condiciona todo o estudo do molde.
• A máquina injetora impõe limites físicos: força de fecho disponível, curso, dimensões do prato.
• A contração dita as cotas reais a maquinar no moldante: .
• Alimentação, extração e refrigeração são os três sistemas que transformam a cavidade numa ferramenta funcional.
• Área projetada, força de fecho, número de cavidades e tempo de ciclo ligam-se todos entre si: nenhum se calcula isolado dos outros.
• A simulação de enchimento valida os três sistemas e aponta correções concretas antes do molde ser fabricado.
• A lista de componentes e a documentação técnica fecham o estudo, prontas para o desenho de fabrico.

A seguir: fichas de exercícios e o mini-projeto, para aplicar todo este cálculo a uma peça nova.